塑料擠出機螺桿、機筒設計初探
［內容摘要］
首先介紹聚氯乙烯板擠出成型生產工藝，單螺桿擠出機的工作原理、基本結構及各系統在工作中的作用，根據設計任務書要求確定擠出機的基本引數,並對擠出機主要零件螺桿和機筒進行了設計,最後對螺桿和機筒的製造要求、修復方法提出了自己的一些看法。
［關鍵詞］
擠出成型擠出機螺桿機筒設計
一、pvc塑料板擠出成型工藝及主要工藝流程
擠出成型是橡膠工業的基本加工工藝之一。它是指利用擠出機及其輔機，使膠料在螺桿的推動下，連續不斷地向前運動，再借助於口型擠出各種所需形狀的半成品，然後由特定的輔機配合，來完成擠出成型或其他作業的工藝過程。擠出成型工藝的優點主要是操作簡單、經濟，半成品質地均勻、緻密，容易變換規格和斷面形狀，裝置占地面積小，結構簡單，造價低，靈活機動性大，生產能力大，且能連續操作。
（一）聚氯乙烯板擠出成型生產工藝流程及主要裝置
1、工藝流程
塑料板的擠出成型可用聚氯乙烯﹑聚乙烯﹑聚丙烯﹑聚碳酸酯﹑abs﹑聚偏氟乙烯和聚苯乙烯等樹脂。其生產工藝順序如圖一。
pvc-u異型材的生產工藝路線主要分為單螺桿擠出機成型工藝和雙螺桿擠出機成型工藝。
單螺桿擠出成型工藝適用於小批量、小規格異型材生產及裝飾型材生產。其塑料板擠出機成型裝置生產線如圖二。
2、主要裝置
（1）擠出成型裝置
擠出機與成型模具，它是製件成型的主要部件，熔融塑料通過它獲得一定的幾何截面和尺寸。本設計將主要針對擠出機的工作原理進行分析研究。
（2）冷卻定型裝置
該裝置包括真空定型和水冷卻兩部分。當溫度為190℃左右，pvc-u熔融型坯從機頭口模出口後，立即進入冷卻定型模。模內抽真空，使型材外壁和定型模具表面貼緊，並用水通過定型套進行冷卻定型。
對真空吸附要求吸附力大而且均勻，定型套分型要求密封性好，特別是在筋與稜角處吸附要好，以保證型材外觀和尺寸精度及表觀質量。
（3）牽引裝置
異型材擠出型坯進入定型套後，由於真空吸附力和摩擦力作用，必須配置牽引力牽伸，才能保證正常擠出，同時也保證型材壁厚、尺寸公差、效能及外觀要求，使型材擠出速度和牽引速度相匹配。門窗異型材生產中通常採用履帶式牽引機，其夾緊面較寬，型材受力均勻，牽引速度穩定。
（4）切割與翻轉裝置
為使擠出異型材滿足運輸、儲存和裝配要求,需將型材切割成一定長度。這裡選用的是行走式圓鋸。翻轉裝置主要作用是支承製品，使製品定向，保證製品平直並將其堆積成垛，這裡選用的是採用氣動翻板式。
製品切割後自動進入托架。
二、擠出機的工作原理
（一）擠出機的分類
隨著塑料擠出機成型工藝的廣泛應用和發展，塑料擠出機的型別日益增多，分類方法也不一致。按螺桿的空間位置可分為臥式和立式擠出機；按螺桿的轉速又可分為普通擠出機、高速和超速擠出機；按螺桿的數量來分，分為無螺桿擠出機、單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機和多螺桿擠出機等。
目前，我們主要研究的是單螺桿擠出機和它的結構特點以及它的工作原理。
（二）單螺桿擠出機的結構
單螺桿擠出機主要由傳動系統、加料系統、擠壓系統、加熱冷卻系統、控制系統和機架等幾部分組成。其基本結構如圖三所示。
1、傳動系統由驅動電機、減速機8、止推軸承9等組成，其作用是驅動螺桿5旋轉, 為螺桿5旋轉提供所需的扭距和轉速，承受螺桿軸向力。
2、加料系統由料斗10、加料斗座等組成。料斗用於儲存一定量的塑料。加料斗座除支撐鬥外，還在機筒6和減速機之間起連線作用。
3、擠壓系統由螺桿5、機筒6等組成，是擠出機工作的「心臟」部分，完成對塑料的連續輸送、塑化、均化、定壓定量擠出。
4、加熱冷卻系統由加熱器4、冷卻器3、冷卻管12等組成，以保證擠壓系統中的塑料能夠在一定工藝要求的溫度範圍內完成塑化和均化。
5、控制系統由電控櫃、檢測元件、儀器、電氣元器件及其他電器裝置等組成，實現對擠出機的運轉及工藝條件的測控。
（三）單螺桿擠出機工作原理
當擠壓系統加熱到給定工藝溫度並保溫一定時間後，啟動電機，通過減速機提供給螺桿所需的扭矩和轉速。料斗中的塑料在自重或加料器推力的作用下，由加料口進入螺槽。隨著螺桿的旋轉，塑料在與機筒螺桿摩擦力的作用下被向前輸送。
物料在擠壓系統中的形態變化（如圖四所示）。塑料自料口進入螺桿後，在旋轉著的螺桿作用下，通過料筒內壁和螺桿表面的摩擦作用向前輸送。在成型過程中，物料以粉狀或顆粒狀從料斗加入至擠出機後，要完成輸送，壓實，壓縮，熔融塑化、均化成均勻融體的過程。
在螺桿加料段，鬆散的固體粒料（或料末）充滿螺槽，隨著物料的不斷輸送，物料開始被壓實。當物料進入壓縮段後，由於螺桿螺槽深度逐漸變淺以及機頭的阻力，使塑料逐漸形成高壓，並進一步被壓實與此同時，在料筒外加熱以及螺桿與料筒內表面對物料的強烈攪拌、混合和剪下摩擦所產生的內摩擦剪下熱的作用下，塑料溫度不斷公升高，與料筒相接觸的某一點，塑料溫度到達熔點，開始熔融。隨著物料的輸送，繼續加熱，熔融的物料量逐漸增多，而未熔融物料量相應減少。
大約在壓縮段的結束處，全部物料都轉變黏流態，但這時各點溫度尚未均勻，經過均化段的均化作用就比較均勻了，最後螺桿將熔融物料定量、定壓、定溫地擠入到機頭。機頭中口模是個成型部件，物料通過它而獲得一定截面的幾何形狀和尺寸，再經過冷卻定型和其它工序，就可得到成型好的製品。
三、擠出系統的設計
（一）單螺桿擠出機的基本引數
螺桿是擠出機中最關鍵的部件，其結構和引數直接影響整個擠出機的效能以及擠出製品的質量。從結構上可分為普通螺桿和新型螺桿；而普通螺桿又分為漸變螺桿與突變螺桿。這裡，我們選用普通漸變螺桿進行研究。
螺桿的直徑是擠出機的主要引數，擠出成型板材擠出機規格選擇可按成型板的寬度尺寸選取。由於生產塑料板材寬度為700～1200mm,查表可知螺桿直徑d=90mm。
根據單螺桿擠出機電機功率24kw，擠出機產量為40～100kg/h的要求，查表可得到硬聚氯乙烯（pvc）擠出機的基本引數（標準jb/t8061—1996），如表一所示：
表一（二）螺桿的基本結構和主要引數的確定
1、結構
螺桿是擠出機的重要部件，本設計採用漸變型螺桿。漸變型螺桿是指螺桿的螺紋部分螺距相等，而螺紋槽的深度從加料段向均化段由深逐漸變淺。這種螺桿結構適於聚氯乙烯等非結晶型塑料的擠出機塑化。
而突變型螺桿是指螺桿的加料段和均化段深度不變，而塑化段（壓塑段）很短，螺紋槽深在塑化段突然由深變淺，這種螺桿結構適合聚烯烴等結晶型塑料的擠出塑化。本設計採用漸變型螺桿，加料段和均化段的螺紋槽深不變﹑而在塑化段的螺紋槽由深逐漸變淺。將螺桿工作長度分為三個基本功能段（加料段l1、壓縮段l2和計量段l3）的螺桿。
如圖五所示。
2、主要引數的確定
（1）螺桿直徑:表示擠出機規格的大小，d=90mm。
（2）長徑比：螺桿螺紋部分長度與直徑的比值，即l/d。jb/t8061—1996中規定螺桿長徑比值（20～30）：1。則l=25d=25×90=2250mm。
（3）計量段：
a）螺槽深度:計量段螺槽深度與螺桿直徑有關，由經驗公式確定（0.02～
0.06）d，計算的＝4.5mm。
b）計量段長度：由公式＝（20％～25％）l，長一些，可以使物料得到相對長一些的均化時間，也可以減少壓力、溫度、產量的波動。但不能過長，否則會使壓縮段和加料段在螺桿全長中佔的比例過小，不利於物料的熔融，甚至使螺桿加長。
設計此螺桿是等距的，因此，＝＝24％×2250mm＝540mm。
（4）加料段：
a）螺槽深度:計量段螺槽深度一經確定，加料段螺槽深度便不能隨意而定，
因為在擠出過程中，既要保證物料的充分壓實，又不能壓縮過大。因此，要根
不同的物料選擇不同的壓縮比，查表可得到硬聚氯乙烯的壓縮比為3～4（2～5），
由公式＝3.5×4.5mm＝15.75mm。
b）加料段：設計此螺桿是等距的，所以， ==540mm。
（5）壓縮段:
a）直徑d2:直徑從81mm漸變至58.5mm。
b）壓縮段長度: 則=l--=2250-540-540=1170mm。
（6）螺距s和螺旋角，通常情況下s＝d＝90mm ＝。
（7）螺稜法向寬度,螺稜寬度大，佔據螺槽空間，擠出量減少。螺稜寬度太小，漏流量增大，也會減少擠出量，物料粘度低時更為明顯。
螺稜寬度一般為＝0.1d＝0.1×90mm＝9mm。
（8）螺稜垂直寬度w， =77.3mm。
螺桿引數列表如表二所示：
表二螺桿主要引數
（三）機筒的設計
1、機筒的結構
機筒也是擠出機的關鍵部件，它與螺桿一起構成擠出機的「心臟」部分，完成對物料的輸送、熔融、均化以及定量定壓擠出。和螺桿一樣，機筒也是在高溫、高壓、嚴重磨損、有一定腐蝕的條件下工作的。
機筒的結構形式有整體式、分段式、襯套式和雙金屬式。該系統的機筒選為整體式結構（如圖六所示），這種結構容易保證較高的製造精度和裝配精度，也可以簡化裝配工作，便於設定外加熱器和裝拆，而且熱量沿軸向分布也較為均勻。
2、機筒的加熱和冷卻方法的選用
加熱與冷卻是塑料擠出成型得以順利進行的必要條件。為了使塑料始終能在其他加工工藝所要求的溫度範圍內擠出，一般是通過加熱或冷卻的方式不斷地調節機筒內物料的溫度來實現的。
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